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乐鱼在线登录孔凡江/刘宝辉团队在Cell子刊《Current Biology》发文揭示SOC1同源基因的进化与变异提高大豆产量

来源:     作者:    编辑:chen    发布时间:2022-03-15 09:40    点击数: Views

大豆是典型的短日照作物,对光周期极为敏感。光周期调控开花不仅影响大豆的种植适应性,而且决定着大豆的产量。大豆具有广泛的纬度适应性(北纬50°到南纬35°),为适应高纬度地区的长日照条件大豆需要提早开花并减少或丧失光周期敏感性;而在低纬度短日照条件下,大豆需要延迟开花期和成熟期以实现最大产量。许多控制大豆光周期调控开花及熟期的主效基因和QTL产生的变异经历了自然或者人工选择,以适应广泛的地域。

 

乐鱼在线登录孔凡江/刘宝辉研究团队多年以来对大豆光周期调控的开花途径进行了长期系统和深入的研究,原创性阐明了大豆存在着特异的光周期开花分子调控途径和适应性机制,系统揭示了大豆光周期开花基因的进化轨迹和选择规律(Nature Genetics, 2017; Nature Genetics, 2020; Nature Communications, 2021; Proceedings of National Academy of Sciences of USA, 2021; Current Biology, 2021; Molecular Plant, 2021)。这些研究结果为了解大豆适应性的遗传基础及大豆育种和改良具有重要意义。

 

202238日,该研究团队在国际期刊 Current Biology 在线发表了题为 A functionally divergent SOC1 homolog improves soybean yield and latitudinal adaptation 的研究论文,解析了 Tof18SOC1a)调控大豆产量和纬度适应性的分子机制。该研究首先利用基因组学和生物信息学相结合的方法,发掘了在高纬度地区(长日照条件)控制大豆开花期的新位点 Tof18,通过群体遗传学及大豆稳定转基因验证,证明了 Tof18 位点由大豆 SOC1a 基因编码,其在长短日照条件下都能够促进大豆的开花并影响主茎节数和产量。进一步分析发现大豆中存在两个高度同源的 SOC1 基因且存在功能分化,由于它们的转录差异,SOC1a 对开花期和主茎节数的作用强于 SOC1b

分子机制解析表明,在大豆生长点中存在着 FT 调控 SOC1 的保守途径,而在叶片中 SOC1 被证明能够直接结合 FT 启动子激活 FT 的转录,从而形成了在叶片和生长点 FT-SOC1 feed-forward loop 正反馈调控环,确保植物的开花诱导。同时发现,两个亚功能化的同源拷贝 SOC1a 可以和 Dt2 互作,并直接结合 Dt1 启动子抑制其转录;而 SOC1b 能与 Dt2 互作,但是不直接结合 Dt1 的启动子,暗示了 SOC1b 通过蛋白互作辅助激活 SOC1-Dt2 复合体,增强复合体的抑制活性,确保 Dt1 转录的平衡,控制大豆单株荚数和产量(图1)。

1SOC1调控开花和主茎节数的分子模式

群体遗传学分析发现,Tof18/SOC1a 提高了栽培大豆的纬度适应性:早花的 Tof18G 等位变异促进了高纬度地区的适应性,而晚花的 Tof18A 等位变异则促进了低纬度地区的适应性(图2)。因此这些基因在分子育种中有很大的应用潜力,可通过导入这些基因的自然变异或者通过基因组编辑创制新的突变体来提高大豆产量。该研究结果为大豆产量分子育种提供了理论依据和育种资源,对今后开发具有广泛适应性并高产的大豆品种具有非常重要的意义。

2Tof18/SOC1a等位变异适应不同地理纬度的选择规律

已毕业学生寇坤、乐鱼在线登录分子遗传与进化创新研究中心的讲师杨慧(共同通讯)、南京农业大学博士生李海洋、乐鱼在线登录分子遗传与进化创新研究中心的副教授方超为文章的共同第一作者,黑龙江省农业科学院的来永才研究员和毕影东研究员、南京农业大学的喻德跃教授也参与该研究,孔凡江教授、刘宝辉教授和赵晓晖副教授为文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家自然科学杰出青年基金、广东省基础与应用重点项目研究和中国博士后基金的资助。

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.02.046


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